Si/Ge长波长单光子探测器基础研究

具有单光子级别的红外弱光信号探测技术在生物信息感知和量子通讯领域具有巨大的应用前景。APD是实现单光子探测的重要元件，相对于Ⅲ-Ⅴ族材料，Si/Ge APD器件具有噪声低，与现有的Si CMOS工艺兼容性高等优点，这为实现单光子探测系统控制电路与探测器件的集成提供了可能，也为以后发展Si基量子通信系统提供了一种可行的选择。本课题针对单光子级的微弱光信号检测需求，以发展适用于生物体内结构信息感知及量子信息应用的新型光子探测器件为目标，通过对Si/Ge SACM结构的APD器件结构中倍增区、电荷层以及吸收区的参数调节，优化器件盖革模式下工作性能，控制异质结界面位错，调节带隙变化，为面向单光子探测应用的Si/Ge APD器件的设计提供理论指导。并在此基础上对器件材料结构及制备工艺进行优化，制备出低穿透位错密度的器件材料，进而研制出具有单光子探测性能的APD器件。

红外波段具有单光子级别的弱光信号探测技术在生物信息感知和量子通讯领域具有巨大的应用前景。APD是实现单光子探测的重要元件，相对于Ⅲ—Ⅴ族材料，Si/Ge APD器件具有低噪声，并且与现有的Si CMOS工艺具有很好的兼容性，为实现单光子探测系统控制电路与探测器件的集成提供了可能，并为以后发展Si基量子通信系统提供了一种可行的选择。本课题针对单光子级的微弱光信号检测需求，以发展适用于生物体内结构信息感知及量子信息应用的新型光子探测器件为目标，本课题通过对Si/Ge异质结结构的APD器件倍增区厚度电荷层的掺杂和厚度以及异质结界面位错和带隙变化等结构参数对器件性能影响的研究，结合器件各层材料结构，提出了器件电场分布的详细要求，详细模拟分析了不同层结构下器件的电场分布、增益特性以及高频特性，解决了吸收区和倍增区电场的综合控制，为面向单光子探测应用的Si/Ge APD器件的设计提供理论指导。并在此基础上通过对器件材料结构制备工艺的研究和优化，发展了新的超低温外延buffer层技术制备了低穿透位错密度的器件材料，穿透位错的密度为1×105cm-2，通过材料结构分析，材料质量指标以及各层结构参数均达到了设计要求。所制备的Si/Ge APD器件偏置电压至20V时，暗电流的密度仍小于82 uA/cm2，为目前同类器件中最好。击穿电压 VBR=39.5V, 穿通电压VP=29V,工作电压等于0.9×VBR时 响应度R=4.4A/W，倍增因子M=8.8 .工作电压39V时倍增因子M ≈ 40 。在项目资助下发表SCI文章23篇，申请专利3项，全面完成了课题任务。